新型高对流层风廓线雷达设计与实现*

谈 洪，朱 斌

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

新型高对流层风廓线雷达设计与实现*

谈 洪，朱 斌

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

文中介绍了一种新型高对流层风廓线雷达的设计与实现方法，首先将雷达的天线、T/R组件等设计为模块组件，然后通过模块的组合实现新产品的开发。该方法能够有效提升雷达的系统性能，提高产品的开发效率，缩短产品的研制周期。文中还列举了某高对流层风廓线雷达阵面单元模块的组成、组件热分析过程、户外设备的防护设计，可为同类产品的设计提供参考。

天线模块；T/R组件；模块化

引 言

随着气象雷达技术的飞速发展和应用领域的不断扩大，产品种类也越来越多，如风廓线雷达已从最早几公里高度的边界层雷达[1]，发展到十几公里高度的高对流层雷达，再到最新几百公里外的电离层空间探测雷达。随着产品种类的增多和应用领域的扩大，对如何提高产品的设计效率、缩短产品的研制周期、提升企业的市场竞争能力提出了较高的要求。

模块化设计是一种集敏捷、经济和可靠于一体的技术[2]，这种基于模块平台、运用组合法或基本型派生法的产品设计模式，可有效地规避创新中的技术风险和市场风险，实现稳健、高效的创新。在产品研发过程中，先通过对产品系统的分解建立通用的模块系列，再选用模块来组合出多样化的新产品。

下面具体介绍某新型高对流层风廓线雷达的设计过程，为同类产品的设计提供参考。

1 阵面模块化设计

1.1 阵面模块组成

某雷达的组成主要包括天线模块、T模块、R模块、合成网络模块A、合成网络模块B和合成网络模块C，各模块的尺寸、重量和数量见表1。

1.2 模块化天线单元

雷达天线阵面口径为10 m × 10 m，由20 × 20共400个垂直交叉双极化微带天线单元组成，400个天线单元按行、列分为20行和20列。基本天线单元采用P波段垂直交叉双极化微带印刷振子单元，单元通过螺钉安装于铜制圆盘上，下方连接2个N型接头。每个天线模块包含4 × 4共16个天线单元和8个1∶4功分网络，内部天线单元和功分网络通过馈线电缆连接成一个整体。天线模块的组成如图1所示。

表1 阵面模块组成

图1 天线模块的组成

天线模块整体采用环氧玻璃布包封，在常温常压下固化，可以保证包封层致密不渗漏。由25个2 m × 2 m模块组合成天线阵面，大大简化了天线的运输和架设工作。图2为整个天线阵面的组成图。

图2 天线阵面组成

该雷达天线设计已申请了《基于相控阵技术的风廓线雷达模块化天线》专利技术(专利号201120514696.1)。可根据具体需求，通过模块组合实现不同产品需求，在雷达批生产过程中，产品质量易于控制，易于向产业化发展。

1.3 模块化T/R组件

雷达共有20个T/R组件，每个组件驱动天线的一行。按发射加权的需要，加权按3级进行，权重为1∶2∶4，使发射波瓣性能达到指标要求。系统采用分布发射、功率空间合成的有源相控阵技术，降低了系统损耗。

根据系统加权要求，该雷达共采用1 600 W 的T/R组件8只、800 W 的T/R组件8只、400 W 的T/R组件4只。组件包含T模块、R模块和合成网络模块，各模块结构独立，其中最大的1 600 W的 T/R组件由4个400 W的T模块组成，因此由20个T/R组件组成的发射末级由52个基本400 W的T模块组合而成。发射机末级一共有20只，每只驱动天线的一行。发射需要加权，发射扫描向采用3个品种的发射组件，发射功率约成倍数关系，权重为1∶2∶4，经过计算对各权重的位置进行适当的配置，使发射波瓣性能达到指标要求，图3为发射扫描向权值分布示意图。发射前级将接收机输出的激励信号放大到一定的功率电平，经1∶20的功分器馈至20个收发组件的发射输入端，推动末级工作。发射末级功率由最小发射功率单元模块组合而成，发射功率1 600 W的末级由4个发射单元模块合成。

图3 发射扫描向权值分布示意图

T/R组件外型设计为标准的机箱结构，T模块、R模块和合成网络模块均采用插件结构，各模块间可实现快速插拔，如图4所示。这样就实现了雷达T/R组件的模块化，统一并简化了发射机内部功率管、供电电源品种、窄带滤波器和功率合成器的器件品种，降低了单个组件的发射功率，大幅度提高了T/R组件的可靠性。该组件设计已申请了《有源相控阵模块化收发组件》专利技术(专利号201020617998.7)。

图4 模块化T/R组件(1 600 W)

2 T模块热设计[3-4]

T模块是组件最主要的发热源。这里为每个T模块设计了独立风道，风道口对应组件的静压箱体，从而为各个T模块均匀提供风源。组件冷板上的散热器和风道中的冷却空气进行热交换，将组件工作过程中损耗的热量带走，达到降低晶体管结温的目的。

2.1 散热器及风量的确定

组件冷板上的散热器选用散热效率高、重量轻的锯齿型散热器。在冷板设计中，还需同时考虑降低冷板散热器热阻、传导热阻、晶体管与冷板底板的接触热阻，确保在最恶劣的环境条件下功率晶体管的结温不高于国军标所要求的三级降额使用标准160 ℃。

选用翅高H=30 mm、厚δ=1 mm、节距S= 4 mm的直齿散热器。根据组件发热区域的分布，确定散热器大小为长L=260 mm，宽W=95 mm，组件底板厚3 mm,模块基板为3 mm厚的铜板。进风温度ta1=50 ℃，取温升Δta=5 ℃，出风温度ta2=55 ℃。于是，单个组件风量Q=80 m3/h。

2.2 末级管结温校核

根据仿真计算，在环境温度50 ℃、齿间风速3 m/s时，末级管的壳温为82 ℃，如图5所示。

图5 400 W的T模块末级管温度分布

接触热阻引起的温差：

Δt2=PRco=40 × 0.2=8 ℃

(1)

式中，P为平均功率。

末级管结热阻引起的温差：

(2)

末级管结温：

tj=82+8+60=150 ℃<160 ℃

(3)

满足国军标三级降额标准tjmax≤160 ℃的要求。

2.3 散热器阻力计算

(4)

式中：De为当量直径;Um为速度;μ为运动粘度系数。

摩擦系数为：

f=0.393Re-0.25=0.393 × 1 628-0.25=0.06

(5)

经过组件散热器的压降为：

(6)

式中：g为重力加速度;r为空气密度。

以1 600 W的T/R组件为例，选用2台直流24 V PAPST 4114NH3的风机，根据仿真计算，散热齿间风速为5 m/ s左右，完全满足散热需求。图6为 1 600 W T/R组件风道风速分布仿真结果。

图6 1 600 W的T/R组件风道风速分布

3 防护设计

3.1 材料及防护涂层

某地区高温、潮湿加上沿海含盐海风的自然与地理条件，对风廓线雷达设备的使用环境条件提出了较高要求。在该雷达设计中，根据实际需求制定了多种应对方案，如天线模块采用环氧玻璃布包封，在常温常压下固化后包封层致密不渗漏，天线外观坚固耐用，可抵抗冰雹的冲击；天线骨架、支撑等大型结构件采用钢板焊接加工，表面酸洗后进行热镀锌处理，镀层厚度不小于150 μm；户外设备板材采用冷轧钢板、镀锌钢板、不锈钢板，厚度不小于2 mm，见表2。图7为安装阵面设备的户外机柜。

表2 材料使用

图7 户外机柜

3.2 户外结构

雷达阵面电子设备防护采用密封结构户外机柜, 如图8所示，防护等级达IP55。选用Gore散热过滤器与智能风机组合，防止空气中的盐雾颗粒、粉尘颗粒进入设备内部，并可根据温度变化自动调节风量；机柜密封橡胶条材质选用氯丁橡胶(CR)，该材质耐老化、耐酸碱性，使用温度范围为-30 ℃～+120 ℃。

图8 密封机柜散热示意图

4 结束语

模块化是标准化原理在应用上的发展，它将通用化、系列化、组合化方法用于解决系统级的问题，所以模块化设计的特点不是面向单个产品，而是面向整个产品系统(产品族)，有选择地、柔性地用模块构成新的整机以至大的系统，从而在更高层次上实现简化，是解决复杂系统的有效工具。

某新型高对流层风廓线雷达采用新型结构设计，在设计中运用模块化的产品创新模式，缩短了产品研发周期，降低了制造成本。该项目自场验收交付后，已连续无故障运行。在高温、湿热、盐雾环境下，雷达性能稳定可靠，并获取了大量气象数据。运行情况表明，新型高对流层风廓线雷达能够满足实际使用要求。

[1] 何平. 相控阵风廓线雷达[M].北京：气象出版社, 2005.

[2] 李春田. 现代标准化前沿——“模块化”研究报告(1)[J]. 世界标准化与质量管理, 2007(2): 4.

[3] 杨世铭. 传热学[M]. 北京：高等教育出版社, 1992.

[4] 陈恩. 电子设备热设计研究[J]. 制冷, 2009, 28(3): 53-58.

谈 洪(1966-)，男，高级工程师，主要从事雷达结构总体研发工作。

朱 斌(1982-)，男，高级工程师，主要从事雷达热分析及研发工作。

Design and Realization of a New High Troposphere Wind-profile Radar

TAN Hong，ZHU Bin

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

Design and realization method of a new high troposphere wind-profile radar is introduced in this paper. The antenna and T/R components of the radar are designed as modules first. Then a new product is developed by combining the modules. Not only the system performance of the radar is enhanced greatly, but also the development efficiency of the product is improved based on the method. This paper also introduces the composition of a high troposphere wind-profile radar antenna array module, thermal analysis of the module and protection design of the outdoor equipment. It can be used as reference for design of other similar products.

antenna module; T/R component; modularization

2014-12-30

TN959.4

A

1008-5300(2015)03-0032-03